淺談高中物理中洛倫茲力與安培力

伍沛胥

摘要：在高中物理磁場學的學習過程中，發現了洛倫茲力與安培力存在某種聯系，進而本文對安培力與洛倫茲力的產生進行研究探討，并對兩者聯系進行深入分析。得出了洛倫茲力是微觀實在，而安培力是宏觀表現的結論。同時，分析洛倫茲力雖然不做功但是可以進行能量轉化的原因。提出了在高中物理的學習過程中要學會利用網絡資源，對課本知識進行延伸拓展。

關鍵詞：高中物理；洛倫茲力；安培力；網絡

一、安培力的探究

（一）探究安培力的作用

安培力是磁場對其中的通電導線作用的力。它的大小是由磁場強度、電流大小、感應導線、通電導線與磁感線角度共同決定。通電直導線所受的安培力的作用點并不在導線重心，而是平均分布在導體上，只是為便于受力分析而畫于重心。只考慮到導體靜止時，安培力為所有電子受洛倫茲力總和；但在載流導體運動時，電流元內所有電荷的總和就是安培力[3]。

（二）探究安培力的實驗

在實驗過程中，選擇的磁場是蹄形磁鐵磁場，將陰極射線管和高壓線圈當作運動電荷，這樣可以更好地展現出實驗現象。進行兩種不同情況的實驗，第一種情況，不使用蹄形磁鐵，即沒有磁場的作用，再進行試驗，最后觀察電子的運動軌跡；第二種情況，使用蹄形磁鐵，即有磁場作用，再進行試驗，最后得出電子束的運動。在進行試驗之后，可以得出相關結論：磁場使陰極射線管中的電子束發生偏轉，運動的電荷會受到磁場的作用。

二、洛侖茲力的探究

（一）定義及其公式推導

在歷史上，洛倫茲提出了運動中的電荷會受到磁場的作用。因此，將磁場對所處其中的運動電荷的作用力命名為洛倫茲力。洛倫茲力作用點位于運動電荷上。洛倫茲力的表達形式可以表達為：F=。為了推出這個公式，第一個方案，可以進行假設，讓運動的電荷在磁場中以速度作直線運動，它的運動時間設為，從而推導出=，L=vt，F=，F=；第二個方案，將一根長度為的導線放入磁場，形成的橫截面積設為S，每一個單位體積里面的電荷的數目設成，電荷帶的電量設成，速度為，那么可以知道導線中的電流為==，其中t=，可以求得I=。由定義可知，那么導線所受到的安培力可以表示為：，把帶入可得，安培力的表達形式為F=（）BL。安培力可以理解為導線中的每一個電荷受到的洛倫茲力的合力，導線中所含的運動電荷的總數可以表示為，即洛倫茲力?電荷總數=安培力。推導過程中必須具備一定的前提條件：。

（二）洛倫茲力左手定則

可以通過左手定則來判斷洛倫茲力的方向，電荷的移動形成了電流，電流會受到磁場力的作用[1]。判斷洛倫茲力的時候，最常用的方法就是攤開左手，手掌方向與磁感線垂直，讓其穿過，四指方向與正電荷的流動方向一致，大拇指的指向即洛倫茲力的方向。其中特別要注意的是電荷的正負，如果是負電荷，那么洛倫茲力的方向則相反。

三、洛侖茲力與安培力

（一）探究洛倫茲力與安培力的關系

可以將安培力理解為是所有電荷受到的洛倫茲力的一個綜合表現形式，而洛倫茲力是其中每個電荷受到的非常微小的力。電流是由于電子定向移動所產生的。設面積為S，通過其的電流為I，可以通過推導得出一個結論，那就是各個電子所受到的洛倫茲力的合力，就是安培力[2]。

（二）兩者做功方面的差異

洛倫茲力是單個運動電荷在磁場中受到的作用，安培力是磁場對宏觀通電導體的力。電子受到洛倫茲力的作用后會沿垂直速度方向產生加速度，宏觀上就產生了垂直電流方向的安培力。將洛倫茲力沿安培力的方向做正交分解則安培力作為一個分力做正功，另一個分力做負功，他們的合力不做功。

（三）洛倫茲力傳導能量

雖然洛倫茲力不做功，但其能進行能量的傳導。電能通過磁場力轉變成導體運動的動能，這是通過洛倫茲力的分力做功而相互轉化來達成磁場能量守恒。從本質上看，能量轉化是由洛倫茲力來實現[4]；并且洛倫茲力的宏觀表現是安培力，所以安培力做功可以實現電能轉化。

四、加強用網絡環境的應用

如今的學習方式與以前有很大的不同，可以使用的學習資源是非常豐富的，學習渠道也非常多樣化。可以有效地利用網絡科技帶來的優勢，將其轉換為學習的助力。學生對于新鮮事物的接受能力往往都是很強的，可以通過網絡的課程學習，來提高學生的學習成績，這樣才能夠使學生的物理學習更加具有效率。在學習運動電荷在磁場中的受力情況時，通過網絡的形式可以去學習到更多課本外的知識。由上述分析得知洛倫茲力的宏觀表現就是安培力，網上搜索后可以得到相應的動態圖，也有相應的視頻資源，用十分直觀的形式對電子流動進行描述，讓學生產生濃厚的興趣，也更加容易理解。因此，應當學會去利用互聯網資源，針對學習上遇到的難點和困惑的地方，尋找適合需要學習的內容，來對自我探索以及自學能力進行一定的提高。

結束語

本文通過力的三要素對安培力和洛倫茲力進行詳細分析。論述了安培力探究實驗以及通過兩種方法對洛倫茲力進行推導。深入研究了洛倫茲力與安培力的區別與聯系，幫助學生在今后的學習中能夠仔細審題，并準確把握題目主要意思。同時，本文提出了學生要學會利用網絡資源解決學習上遇到的困難，從而更好的提升自我學習能力。

參考文獻：

[1]何永林.高中物理磁場相關知識教學的研究[D].蘇州大學，2015.

[2]朱建洪.高中物理“磁場”一章情境教學研究[D].蘇州大學，2015.

[3]馬麗芹. 洛倫茲力與動生電動勢產生機理的再探討[J].科技視界，2014（35）.

[4]鄭尚明. 淺談洛倫茲力和安培力[A].新教育時代（2015年11月 總第5輯）[C]，2015.